虛擬現實技術在計算機教學中的應用

摘 要 虛擬現實技術作為新型的教學媒體已廣泛應用于教育領域，并發揮了重要作用。本文從虛擬現實技術的特點和應用出發，闡述了虛擬現實技術在教學中的作用，重點論述了虛擬現實技術在計算機教學中的應用。

關鍵詞 虛擬現實技術 教育教學 計算機教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

1 虛擬現實的類型

1.1 桌面虛擬現實系統

一種在普通PC機上實現的綜合立體圖形、人機交互等技術，以構造與現實環境類似的逼真虛擬環境的應用系統。用戶通過計算機屏幕觀察虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時用戶會受到周圍現實環境的干擾，不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本也相對較低，應用面仍比較廣。

1.2 投入型虛擬現實系統

這種高級虛擬現實系統給用戶提供完全投入的功能，使用戶產生一種置身于虛擬境界之中的感覺。通常利用頭盔式顯示器和數據手套等其它設備，把用戶的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個虛擬的感覺空間，使用戶產生一種身臨其境、沉浸其中的感覺。

2 虛擬現實的基本特征

2.1 沉浸感

沉浸感指的是虛擬環境的真實程度，虛擬現實技術提供以假亂真的環境，使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中，與虛擬環境中的各種對象相互作用，用戶所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，與真實環境中感受到的一樣。

2.2 交互性

反映的是用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，是人機和諧的關鍵因素。用戶可以利用鍵盤、鼠標及其它傳感裝置與虛擬環境中的對象進行交互。計算機系統能根據用戶的語言或身體運動，調整系統呈現的圖像和聲音。

2.3 多感知性

指除了一般計算機技術所呈現的視覺感知之外，還能呈現聽覺感知、觸覺感知、味覺感知、嗅覺感知等，從多方面充分調動各種感官的積極性，使用戶具有“真實”的體驗。

2.4 構想性

虛擬現實技術不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構造客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。使用戶在體驗中得到感性和理性的認識，從而萌發新意，產生認識上的飛躍。

3 虛擬現實技術在計算機教學中的應用

3.1 輔助課堂教學

計算機專業課程的實踐性和邏輯性都很強，很多知識單純地在書本上描述難免會給學生的理解帶來困難。利用虛擬現實技術設計和開發的交互式三維課件可以用來解釋一些復雜的、抽象的概念，是一種非常有效的工具。

用虛擬現實技術可以建立出虛擬學習環境，為學生提供生動、逼真的學習環境，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而促進和鞏固學生學習知識的過程。親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互學習與被動的灌輸，有本質的差別。利用虛擬現實技術可以制作出三維的、交互的、具有沉浸感的內容，讓學生從各角度來觀察和學習，更好地理解學習內容。通過制作VRML課件，可以對學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。例如在計算機組成原理教學中，部分內容具有抽象性、關聯性和層次性等特點，造成學生理解困難。比如信息的存儲、指令的執行等知識非常抽象，可以利用VR課件制作出動態的畫面，直觀地呈現出程序的流程、指令的執行過程等內容，將枯燥難懂的學習內容變得生動、一目了然，便于學生理解。在介紹計算機組件知識的時候，利用VRML造型設計和動畫創建出一個可視化的三維環境，模擬出組裝計算機所需的主要硬件設備，學生可以從各個角度觀察計算機的內部結構，增強感性認識。

通過虛擬現實技術制作課件來輔助課堂教學，為學生提供生動、逼真的學習媒體素材和環境，使抽象的學習內容直觀化、形象化，幫助學生解決學習中的重點和難點問題，提高學習的積極性。

3.2 虛擬實驗室

利用虛擬現實技術，可以建立虛擬實驗室，虛擬實驗室擁有傳統實驗室難以比擬的優勢。首先可以有效地節省成本，通常我們由于設備、場地、經費等硬件的限制，許多實驗都無法進行。而有了虛擬實驗室，學生便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學效果的前提下，極大地節省了成本。

其次，利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實驗室，其中的“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據教學需要隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。同時，虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演角色，全身心地投入到學習環境中去，有利于學生的技能訓練。

在常用的計算機實訓中，利用虛擬現實技術可以虛擬出各種實驗設備、實訓環境和操作過程，使大多數課程的實訓都可以在虛擬實驗室中進行，而不必購置昂貴的實驗實訓設備。可以解決在教學中因為實驗設備、實驗場地、教學經費等各方面的原因而無法進行的教學實驗。虛擬實驗還可以避免實驗實訓設備的損壞、訓練材料的消耗等問題，有效節約教育成本。例如《計算機網絡》教學中實驗大都涉及交換機或路由器之間的物理線路連接，學生在接線過程中經常會出現線路故障，并且頻繁斷電重啟或熱插拔端口，容易造成設備損壞，由于學生排除故障的能力較差，物理設備的某些故障使得其糾纏于設備的細節，不能按要求完成實驗內容。通過虛擬技術構建的網絡虛擬實驗環境既可以模擬路由器、交換機等網絡設備的配置、分析，又不會造成教學資源的浪費，同時也不需要考慮物理線路的連接故障，是實驗教學的有效手段。

虛擬實驗教學有很大的經濟性和方便性。使用虛擬的實驗室進行實驗，可以在自己現有的實驗條件下，花費較少的資金就能給大量學生提供實訓環境。并且學生在虛擬實驗環境中可以反復操作，強化鞏固基本操作技能，提高學習主動性。

3.3 虛擬校園的應用

基于網絡的虛擬現實模擬（VR）可利用Web3D技術，在互聯網上構建三維虛擬世界、虛擬校園及虛擬課堂。虛擬現實技術作為遠程教育基礎平臺，可為高校遠程教育教學點提供可移動的電子教學場所，通過交互式遠程教學的課程資源和學習平臺，對各個終端提供開放性的、遠距離的持續教育，還可為社會提供新技術和高等職業培訓的機會，創造更大的經濟效益與社會效益。

4 結束語

實踐證明，虛擬現實技術在教學中的應用給教育，特別是遠程教育帶來了巨大的推動力，這種新型的教學媒體必將廣泛應用于教學中，發揮其重要作用。

參考文獻

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